中高轨导航卫星寿命末期的弃置策略研究

The international community pays more and more attention to the protection of space environment. The satellites are required to perform the appropriate disposal operations at end-of-life. Navigation satellites are all deployed in the medium-high Earth orbits densely. Some disposal strategies adopted by navigation satellites in the past have been proved to be invalid. China is developing the BeiDou Navigation Satellite System. This project aims to study the disposal strategies for navigation satellites in the medium-high Earth orbits at end-of-life in depth. The dynamical nature about long term evolution of navigation satellites in the medium-high Earth orbits is analyzed in detail. The internal connection between orbit parameters and dynamical nature is explored as well as the constraint conditions of orbit parameters. The effective method that uses the initial orbit elements to directly and swiftly assess the reliability of disposal strategy is proposed. The disposal optimization strategies for navigation satellites in the medium-high Earth orbits at end-of-life are designed by adjusting the initial orbit elements. This project contributes to the enrichment and development of satellite orbit dynamics, and the improvement and implementation of space debris mitigation. The results derived in this project can be applied to the specific disposal operations for the Chinese BeiDou navigation satellites directly.

国际社会日益重视空间环境的保护，要求寿命末期卫星须采取适宜的弃置措施。导航卫星系统均密集部署在中高轨道，以往导航卫星所采取的一些弃置策略已被证实无效。我国也正在实施发展北斗导航卫星系统。本项目将深入开展中高轨导航卫星寿命末期的弃置策略研究。详细分析中高轨导航卫星轨道及其弃置轨道长期演化的动力学本质，挖掘轨道参数与动力学本质之间的内在关联、轨道参数间的约束条件；通过轨道初值，建立快速、直接评估中高轨导航卫星弃置策略可靠性的有效方法；调整轨道初值，探寻中高轨导航卫星寿命末期的最优化弃置策略。本项目研究有助于卫星轨道动力学理论研究内容的丰富和完善，有助于空间碎片减缓的开展和实施，研究结果可以直接应用于我国北斗导航卫星寿命末期的具体弃置操作实践中。

对中高近圆轨道面进动开展了更深层次研究，完善了轨道面进动导致的定量和定性结果。澄清了中高近圆轨道面进动机制不只局限于经典Laplace进动，还存在polar Laplace进动的事实。修正仅针对轨道面经典Laplace进动导致的倾角定量变化范围理论结果，推导出中高近圆轨道倾角定量变化范围的完整解析式，使其涵盖了两种轨道面进动机制。将同步轨道倾角-升交点经度变化定性特征理论结果，扩展到任意中高近圆轨道，并涵盖两种轨道面进动机制，推导出倾角-升交点经度变化定性特征的广义解析式。揭示出：高倾角中高近圆轨道面长期演化，在经典Laplace进动机制下通常处于“循环”状态；而在polar Laplace进动机制下通常处于“平动”状态，同时倾角变化促使轨道在“顺行”和“逆行”状态间转换，这为轨道设计提供参考，以满足特定任务需求。.综合利用中高近圆轨道倾角定量变化范围理论结果、导致中高近圆轨道偏心率长期大幅度增长的主要日月共振的条件，建立了中高轨导航卫星“坟墓轨道”弃置策略可靠性的一种快速评估方法。利用一组已知的“坟墓”弃置轨道根数，从理论上判断“坟墓”弃置轨道倾角定量变化是否满足主要日月共振的条件，直接评估“坟墓轨道”弃置策略的可靠性。通过基于简化模型的一阶半分析快速计算，对理论计算直接评估结果进行复核检验。编写调试了该快速评估方法的计算程序，并尝试从主要日月共振的共振宽度层面，进一步予以改进和完善。.对卫星轨道动力学中摄动函数展开和摄动分析解涉及的Hansen系数计算进行了系统研究。特别推导给出了两个新的Hansen系数的递推关系式；比较分析了Hansen系数及其导数的直接计算方法的计算效率和计算稳定性，指出Hansen系数的递推关系可用于判别计算结果的稳定性；探讨了偏心率函数的递推计算方法的计算效率，给出了偏心率函数的一种成批递推计算方法，可以有效提高递推计算效率、保证递推计算精度。.本项目研究发表(含在线发表)论文6篇，其中期刊论文5篇、国际会议论文1篇；出版1本专著。